DE3431717C1

DE3431717C1 - Schlingfederkupplung

Info

Publication number: DE3431717C1
Application number: DE19843431717
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 5202 Hennef Taureg
Original assignee: Uni Cardan AG
Current assignee: GKN Viscodrive GmbH
Priority date: 1984-08-29
Filing date: 1984-08-29
Publication date: 1985-10-24

Description

Des weiteren ist die Kombination einer Schlingfederkupplung mit einer vorgeschalteten Lamellenreibungskupplung bekannt (DE-PS 348434). Die mit einem Druckmittel beaufschlagbare Reibungskupplung hat bei der bekannten Kupplung die Aufgabe die Schlingfederkupplung durch Verdrehen des freien Endes der Schlingfeder in Richtung des Wickelsinnes oder entgegengesetzt hierzu in Reibeingriff bzw. aus dem Reibeingriff mit dem anderen Kupplungsteil zu bringen. Das als Druckmittel die Lamellenkupplung beaufschlagende Drucköl, das auch in den die Schlingfeder aufnehmenden Raum gelangt, soll lediglich eine schmierende Wirkung zwischen der Schlingfeder und dem anderen Kupplungsteil ausüben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Viskosekupplung wirkende Schlingfederkupplung zu schaffen, die bei niedrigen Drehzahldifferenzen zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Kupplung ein auf niedrigem Niveau und sehr flach verlaufendes Drehmomentverhalten zeigt, und ab einer gewissen vorgebbaren Drehzahldifferenz einen sprunghaften Anstieg des übertragbaren Drehmomentes bewirkt. Darüber hinaus soll der bei bekannten Viskosekupplungen sich einstellende Temperatureffekt weitgehend ausgeschaltet sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß a) der Reibeingriff der Schraubenfeder mit dem Zylinder ausschließlich durch die Reibung der viskosen Flüssigkeit im Spalt zwischen der Schraubenfeder und dem Zylinder eingeleitet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Schlingfederkupplung wird ein vorteilhaftes Drehmomentverhalten, entsprechend der oben genannten Aufgabenstellung dadurch erreicht, daß bei niedriger Drehzahldifferenz sich in dem zwischen dem zylindrischen Teil der Kupplungsnabe und der Schraubenfeder gebildeten Spalt eine Scherwirkung einstellt, die ein relativ geringes übertragbares Drehmoment aufbaut. Gleichzeitig wird die Schraubenfeder aufgrund der Scherwirkung dahingehend verspannt, daß sie sich »zudreht«, d. h. in Richtung einer Durchmesserverringerung beaufschlagt wird.
Bei stetig ansteigender Drehzahldifferenz zwischen der Ein- und Ausgangsseite der Schlingfederkupplung wird der Punkt erreicht, bei dem die Schraubenfeder Reibkontakt mit dem zylindrischen Teil der Kupplungsnabe bekommt und die Schraubenfeder und der zylindrische Teil der Kupplungsnabe einen bekannten in einer Drehrichtung wirksamen Freilauf darstellen.
Durch den Reibkontakt wird die Zuspannung der Schraubenfeder weiter erhöht, die in eine Vollsperrung überführbar ist, d. h. sie überträgt im Rahmen der Bautcilfestigkeit beliebig hohe Drehmomente.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mit dem Kupplungsgehäuse eine zweite Schraubenfeder fest verbunden ist, die ebenfalls den als Zylinder ausgebildeten Teil der Kupplungsnabe konzentrisch mit geringem Spiel umgreift, wobei die beiden Schraubenfedern gleichsinnig gewickelt sind.
Eine derart aufgebaute Schlingfederkupplung zeigt in beiden Drehrichtungen dasselbe Drehmomentverhalten aufgrund des den beiden Schraubenfedern zugeordneten gleichen Wickelsinns.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite Schraubenfeder fest mit einem den Zylinder der Kupplungsnabe aufweisenden Zwischenring verbunden und mit geringem Spiel konzentrisch zu einer dem Mantel des Kupplungsgehäuses zugeordneten zylindrischen Innenwand angeordnet, wobei beide Schraubenfedern gleichsinnig gewickelt sind.
Diese Ausführung ist ebenfalls zur Übertragung eines Drehmomentes in beiden Drehrichtungen geeignet, unterscheidet sich jedoch von der oben genannten Ausfüh- rung dadurch, daß sie axial kürzer darstellbar ist, wobei jedoch ein größerer Außendurchmesser in Kauf genommen werden muß.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist die erfindungsgemäße Schlingfederkupplung mit einer herkömmlichen Viskosekupplung in Reihe geschaltet.
Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Komplettkupplung beim Anlaufen zuerst dem Drehmomentverhalten der erfindungsgemäßen Schlingfederkupplung mit ihrer anfänglich sehr flachen Kennlinie folgt, und nach Eintritt des Drehmomentsprunges auf die Kennlinie der herkömmlichen Viskosekupplung überspringt.
Damit ist unter Beibehaltung der Vorteile einer herkömmlichen Viskosekupplung, deren Anfangsverhalten bzw. das hier störende hohe anfängliche Drehmoment eliminiert.
In dieser Ausführung ist die Komplettkupplung insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, die mit einem »Antiblockiersystem« ausgerüstet sind, geeignet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schlingfederkupplung mit einer Reibungskupplung in Reihe geschaltet.
Durch diese Anordnung wird der Reibungskupplung ein Einschaltverhalten zugeordnet, das dem der erfindungsgemäßen Schlingfederkupplung entspricht, wobei nach dem Sprungverhalten der Schlingfederkupplung sich das Drehmomentverhalten der herkömmlichen Reibungskupplung einstellt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Schlingfederkupplung mit einer formschlüssig wirkenden Trennkupplung in Reihe geschaltet.
Bei dieser Kombination wirkt sich ebenfalls das Einschaltverhalten der erfindungsgemäßen Viskosekupplung in gewissen Fällen günstig für den Einsatz einer Abschaltkupplung aus.
Ein Einsatz der Schlingfederkupplung als Freilauf bietet sich aufgrund der weichen Anlaufkennlinie selbstverständlich an.
Nach einer vorteilhaften Anwendung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schlingfederkupplung in den Antriebsstrang einer nicht ständig angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges allein oder in Reihenschaltung mit einer herkömmlichen Viskosekupplung eingebaut ist.
In diesem Fall übernimmt die Schlingfederkupplung die Aufgabe, eine zusätzliche Triebachse, bei Bedarf, d. h. bei übermäßigem Schlupf der ständig angetriebenen Achse selbsttätig zuzuschalten und damit das Antriebsmoment von z. B. bisher zwei auf vier Räder zu verteilen.
Bei geringen Drehzahldifferenzen, wie sie sich z. B.
bei Kurvenfahrten oder durch ungleichmäßig abgefahrene Reifen einstellen, baut sich in der Schlingfederkupplung kein wirksames Drehmoment auf und die nicht ständig angetriebene Achse verhält sich wie eine gezogene Achse.
Sobald jedoch etwa durch Glatteis oder andere ungünstige Bodenverhältnisse der Haftbeiwert an den Antriebsrädern stark abfällt und es zu einem Durchrutschen bzw. Schlupf derselben kommt, vergrößert sich die Drehzahldifferenz so weit, daß die Schlingfederkupplung einen sprunghaften Drehmomentanstieg erfährt und damit die nicht ständig angetriebene Achse zuschaltet.
Eine weitere Möglichkeit des Einsatzes der Schlingfederkupplung ist in ihrer Anwendung als Differentialsperre zu sehen.
Auch hier tritt der Fall ein, daß bei Kurvenfahrten, d. h. geringen Drehzahldifferenzen, kein Drehmoment innerhalb der Schlingfederkupplung aufgebaut wird, jedoch bei Durchrutschen eines Rades sich der Drehmomentsprung einstellt und das Differential durch die Schlingfederkupplung gesperrt wird.
In den beiden letztgenannten Fällen kann der Schlingfederkupplung eine herkömmliche Viskosekupplung nachgeschaltet werden, um deren Drehmomentverhalten bei höheren Drehzahldifferenzen zu nutzen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Teilschnitt durch einen prinzipiellen Aufbau der Schlingfederkupplung, Fig.2 einen Teilschnitt durch eine in beiden Drehrichtungen wirkende Schlingfederkupplung, Fig.3 die Kombination der Schlingfederkupplung mit einer herkömmlichen Viskosekupplung, im Teilschnitt, Fig.4 den prinzipiellen Einbau einer Schlingfederkupplung in den Antriebsstrang einer nicht ständig angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges, F i g. 5 den Einbau einer Schlingfederkupplung in ein Differential als Differentialsperre, F i g. 6 eine grafische Darstellung des Drehmomentverhaltens in Abhängigkeit von der Differenzdrehzahl einer Schlingfederkupplung, und Fig.7 eine grafische Darstellung des Drehmomentverhaltens in Abhängigkeit von der Differenzdrehzahl bei Reihenschaltung einer Schlingfederkupplung mit einer herkömmlichen Viskosekupplung.
In der F i g. 1 ist das Prinzip der Schlingfederkupplung im Teilschnitt dargestellt. Die Schlingfederkupplung besteht aus der Kupplungsnabe 1, auf der das Kupplungsgehäuse 2 mittels Lagern 4 gelagert ist. In dem das Kupplungsgehäuse 2 durchgreifenden Bereich ist die Kupplungsnabe 1 an ihrer Außenseite als Zylinder 6 ausgebildet. Mittels der Federbefestigung 11 ist eine hier mit einem rechteckigen Materialquerschnitt versehene Schraubenfeder 5 fest mit dem Kupplungsgehäuse 2 verbunden. Die Schraubenfeder 5 umgreift den Zylinder 6 konzentrisch mit einem geringen Spiel.
Der Innenraum 10 des Kupplungsgehäuses 2 ist wenigstens teilweise mit einer viskosen Flüssigkeit, z. B.
mit Silikonöl gefüllt.
Bei einer Relativdrehung der Kupplungsnabe 1 gegenüber dem Kupplungsgehäuse 2 baut sich in dem zwischen der Schraubenfeder 5 und dem Zylinder 6 existierenden Spalt eine Flüssigkeitsscherkraft auf.
Bei einer relativen Verdrehung der Kupplungsnabe 1 gegenüber dem Kupplungsgehäuse 2 in Wickelrichtung der Schraubenfeder 5 wird diese durch die sich einstellende Flüssigkeitsscherkraft in Richtung ihres Wickelsinnes beaufschlagt, wobei sich die Schraubenfeder 5 in ihrem Durchmesser so weit verringert, daß sie in Reibberührung mit dem Zylinder 6 kommt.
In diesem Moment findet ein Übergang von der Flüssigkeitsscherkraft auf eine zwischen der Schraubenfeder 5 und dem Zylinder 6 wirkende Reibkraft statt. Hierdurch springt das Drehmoment schlagartig hoch, wie in der F i g. 6 bei #n 1 dargestellt, und kann bei entsprechender Auslegung der Schlingfederkupplung in dem Bereich der Vollsperrung kommen, so daß das übertragbare Drehmoment der Schlingfederkupplung nur noch durch die Festigkeit der Bauteile bestimmt ist, Findet die relative Drehung der Kupplungsnabe 1 gegenüber dem Kupplungsgehäuse 2 in einer dem Wik- kelsinn der Schraubenfeder 5 entgegengesetzten Richtung statt, so wird die Schraubenfeder 5 durch die Flüssigkeitsscherkraft im Öffnungssinne beaufschlagt, d. h.
die Schlingfederkupplung dreht in dieser Richtung fast frei durch. Damit ist die erfindungsgemäße Schlingfederkupplung auch für einen Einsatz als Freilauf sehr gut geeignet.
Die Kupplungsnabe 1 ist als Aufstecknabe ausgebildet und kann über eine Innenverzahnung 3 auf eine korrespondierende Welle aufgesteckt werden. Zur Verbindung des Kupplungsgehäuses 2 mit z. B. einem Flansch ist die Gehäusewand 7 des Kupplungsgehäuses 2 mit Befestigungsbohrungen 9 versehen.
In der Fig. 2 ist eine in beiden Drehrichtungen wirksame Schlingfederkupplung dargestellt Mit dem Zylinder 6 der Kupplungsnabe 1 wirken hier zwei Schraubenfedern 5, 5' zusammen, die endseitig beide über Federbefestigungen 11 mit der Kupplungshülse 2 verbunden sind. Die beiden Federn 5,5' sind gleichsinnig gewickelt, so daß für jede Drehrichtung eine in ihrem Wickelsinn beaufschlagt wird und sich zuzieht und damit den Reibkontakt zwischen einer der Federn 5,5' und dem Zylinder 6 herstellt.
In der Fig. 3 ist die Hintereinanderschaltung einer herkömmlichen Viskosekupplung 12 mit einer Schlingfederkupplung 13 dargestellt.
Bei dem in der F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist innen die herkömmliche Viskosekupplung 12 und um diese herum, die Schlingfederkupplung 13 aufgebaut.
Die herkömmliche Viskosekupplung 12 besteht im wesentlichen aus zwei Sätzen von Kupplungslamellen 14 und 15, die wechselweise jeweils über Verzahnungen drehfest mit dem Kupplungsinnenteil bzw. dem Kupplungsaußenteil verbunden sind. Um die Lamellen der einzelnen Lamellensätze 14, 15 in einem vorgegebenen Abstand zueinander zu halten, können zwischen ihnen z. B. als Drahtringe ausgebildete Distanzhalter 16 angeordnet sein.
Die Schlingfederkupplung 13 ist hier für eine Drehmomentübertragung in beiden Drehrichtungen vorgesehen. Zu diesem Zweck sind innerhalb der Schlingfederkupplung 13 zwei Schraubenfedern 5, 5" vorgesehen, von denen die Innere mit dem Zylinder 6 zusammenwirkt und die Äußere mit der zylindrischen Innenwand 8 des Kupplungsgehäuses 2 in Wirkeingriff tritt.
Die äußere Feder 5" ist dabei über eine Federbefestigung 11 mit einen zwischen der herkömmlichen Viskosekupplung 12 und der Schlingfederkupplung 13 angeordneten Zwischenring 17 verbunden.
Die Drehmomentkennungen der herkömmlichen Viskosekupplung 12 und der Schlingfederkupplung 13 sind dabei derart ausgelegt, daß vor Eintritt des Reibschlusses zwischen den Federn 5, 5" und den mit ihnen zusammenwirkenden Zylindern 6 die Schlingfederkupplung 13 gegenüber der herkömmlichen Viskosekupplung 12 eine sehr flache Drehmomentkennlinie in Abhängigkeit von der Differenzdrehzahl aufweist Nach Eintritt des Drehmomentsprunges verhält sich die Kupplungskombination entsprechend der Drehmomentkennlinie der Viskosekupplung.
In der F i g. 4 ist der prinzipielle Einbau einer erfindungsgemäßen Kupplungskombination 20 in den Antriebsstrang einer nicht angetriebenen Achse dargestellt. In der Fig. 4 wird das Drehmoment vom Motor 18 über ein Getriebe 19, eine Längswelle 25 und die Kupplungskombination 20 auf das Differential 21 der nicht ständig angetriebenen Achse weitergeleitet. In dieser Ausführung schaltet der Antrieb bei schlechter Bodenhaftung der ständig eingeschalteten Triebachse selbsttätig auf »Allradantrieb« um.
Die F i g. 5 zeigt ein Achsdifferential herkömmlichen Aufbaus, mit einem Ritzel 22, einem Tellerrad 23 und Halbachsen 24, von denen eine über eine Kupplungskombination 20 gegen das Tellerrad 23 drehmomentmäßig abgestützt ist, in dem integriert eine Kombination einer Schlingfederkupplung 13 und einer herkömmlichen Viskosekupplung 12 vorgesehen ist. Aufgrund der bei geringen Differenzdrehzahlen niedrig verlaufenden Drehmomentkennlinie der Schlingfederkupplung 13, können die jeweiligen Räder, z. B. bei Kurvenfahrten auf unterschiedlichen Kurvenradien sich bewegen, ohne daß eine Sperrung innerhalb des Differentiales eintritt.
Falls jedoch durch schlechte Bodenhaftung, wie Glatteis oder ähnlichem, ein Rad beginnt durchzudrehen, stellt sich innerhalb der Kupplungskombination eine große Drehzahldifferenz ein, die das Sprungverhalten der Schlingfederkupplung 13 herbeiführt, und damit eine Sperrung innerhalb der Grenzen der Drehmomentkennlinie der herkömmlichen Viskosekupplung 12 durchführt.
Die F i g. 6 zeigt das Drehmomentverhalten der Schlingfederkupplung. Bis zu einer Drehzahldifferenz #n list die Schlingfederkupplung 13 als reine Viskosekupplung wirksam, d. h. das Drehmoment baut sich nur aufgrund der Scherkräfte innerhalb der viskosen Flüssigkeit auf. Nach Überschreiten der Drehzahldifferenz #n 1 tritt der Reibschluß zwischen der Schraubenfeder 5 und den zugeordneten Zylindern 6 oder 8 ein und das Drehmoment steigt sehr steil an und kann bis zur Vollsperrung der Kupplung führen.
In der F i g. 7 ist das Drehmomentverhalten einer Kombination einer herkömmlichen Viskosekupplung 12 mit einer Schlingfederkupplung 13 dargestellt. Der Drehmomentverlauf der herkömmlichen Viskosekupplung 12 ist mit II und der Drehmomentverlauf der Schlingfederkupplung mit I bezeichnet. Es ist in der F i g. 7 im Bereich der niedrigen Drehzahldifferenz wieder das typische Sprungverhalten der Schlingfederkupplung zu erkennen, wobei der Drehmomentanstieg entsprechend der Kurve I jedoch in dem Moment begrenzt wird, in dem das für diese Drehzahldifferenz zugeordnete Drehmoment der herkömmlichen Viskosekupplung 12 erreicht wird. Von diesem Wert an folgt die Kupplungskombination dem Drehmomentverlauf der herkömmlichen Viskosekupplung 12.
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Claims

Patentansprüche: 1. Schlingfederkupplung zur Übertragung von Drehmomenten, bestehend aus zwei zueinander drehbar gelagerten Kupplungshälften, von denen eine innere als Kupplungsnabe und eine äußere als Kupplungsgehäuse ausgebildet ist, das Kupplungsgehäuse wenigstens teilweise mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt ist, wobei der vom Kupplungsgehäuse umgebene Teil der Kupplungsnabe wenigstens teilweise als Zylinder ausgebildet ist, der von einer Schraubenfeder im entkuppelten Zustand mit geringem Spiel konzentrisch umgriffen wird, die mit einem Ende fest mit dem Kupplungsgehäuse verbundenist, dadurch gekennzeichnet, daß a) der Reibeingriff der Schraubenfeder (5) mit dem Zylinder (6) ausschließlich durch die Reibung der viskosen Flüssigkeit im Spalt zwischen der Schraubenfeder (5) und dem Zylinder (6) eingeleitet wird.
2. Schlingfederkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß b) mit dem Kupplungsgehäuse (2) eine zweite Schraubenfeder (5') fest verbunden ist, die ebenfalls den als Zylinder (6) ausgebildeten Teil der Kupplungsnabe (1) konzentrisch mit geringem Spiel umgreift, wobei die beiden Schraubenfedern (5,5') gleichsinnig gewickelt sind.
3. Schlingfederkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß c) eine zweite Schraubenfeder (5") fest mit einem den Zylinder der Kupplungsnabe (1) aufweisenden Zwischenring (17) verbunden ist und mit geringem Spiel konzentrisch zu einer dem Mantel des Kupplungsgehäuses (2) zugeordneten zylindrischen Innenwand (8) angeordnet ist, und beide Schraubenfedern (5, 5") gleichsinnig gewickelt sind.
4. Schlingfederkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß d) die Schlingfederkupplung (13) mit einer herkömmlichen Viskosekupplung (12) in Reihe geschaltet ist.
5. Schlingfederkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß e) die Schlingfederkupplung (13) mit einer Reibungskupplung in Reihe geschaltet ist.
6. Schlingfederkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß f) die Schlingfederkupplung (13) mit einer formschlüssig wirkenden Trennkupplung in Reihe geschaltet ist.
7. Schlingfederkupplung nach einem der Ansprüche 1,4,5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß g) die Schlingfederkupplung (13) als Freilauf eingesetzt ist.
8. Schlingfederkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß h) die Schlingfederkupplung (13) in den Antriebsstrang einer nicht ständig angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges allein oder in Reihenschaltung mit einer herkömmlichen Viskosekupplung (12) eingebaut ist.
9. Schlingfederkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß i) die Schlingfederkupplung (13) allein oder in Reihenschaltung mit einer herkömmlichen Viskosekupplung (12) als Differentialsperre eingesetzt ist.

Die Erfindung betrifft eine Schlingfederkupplung zur Übertragung von Drehmomenten, bestehend aus zwei zueinander drehbar gelagerten Kupplungshälften, von denen eine innere als Kupplungsnabe und eine äußere als Kupplungsgehäuse ausgebildet ist, das Kupplungsgehäuse wenigstens teilweise mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt ist, wobei der vom Kupplungsgehäuse umgebene Teil der Kupplungsnabe wenigstens teilweise als Zylinder ausgebildet ist, der von einer Schraubenfeder im entkuppelten Zustand mit geringem Spiel konzentrisch umgriffen wird, die mit einem Ende fest mit dem Kupplungsgehäuse verbunden ist.

Eine als Viskosekupplung arbeitende Regelkupplung, bei der die ungünstige Drehmomentkennung der bekannten Viskosekupplungen beeinflußt werden soll, ist bekannt (DE-OS 26 07 353). Der beschriebenen Regelkupplung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, das typische Drehmomentverhalten einer Viskosekupplung, das darin besteht, daß nach anfänglich sich einstellendem hohen Drehmoment sich ein starker Abfall abzeichnet, dem mit zunehmender Erwärmung des viskosen Mediums wieder ein Drehmomentanstieg folgt, verändert werden soll.

Gemäß dem dort gegebenen Vorschlag wird diese Charakteristik dadurch verändert, daß der Füllungsgrad der Viskosekupplung bzw. des Gehäuses durch einen gegen eine Feder verschiebbaren Kolben vergrößert bzw. allgemein verändert werden kann.

Durch diese Maßnahme soll das temperaturbedingte Druckverhalten beeinflußt werden, welches wiederum das Drehmomentverhalten einer Viskosekupplung in nicht faßbarer Weise verändert.

Bei der dort beschriebenen Ausführung ist es jedoch von Nachteil, daß bei Beginn einer sich einstellenden Drehzahldifferenz zvischen beiden Kupplungsteilen ein hohes Drehmoment ansteht, was für viele Einsatzfälle schädlich ist.